Настоящее и будущее авиационных двигателей Б.А. Пономарёв (1014179), страница 2
Текст из файла (страница 2)
высокую потенциальную энергию, так как располагаемая работа расширения газа значительно превышает потребную работу сжатия воздуха в компрессоре. Эта избыточная потенциальная энергия (полезная работа термодинамического цикла) может быть трансформирована в тягу или мощность двигателя различными способами в зависимости от типа ГТД. Существуют три основных типа авиационных ГТД: турбореактивные, двухконтурные турбореактивные и турбовинтовые (турбовальные), В турбореактивных двигателях (рис.
2) почти вся избыточная потенциальная энергия преобразуется в кинетическую при Расширении газа в выходном устройстве, чем обеспечивается ускорение газового потока до высокой скорости и создание тяги. В некоторых турбореактивных двигателях для увеличения скорости истечения газа, а следовательно, тяги применяется фор- 7 сажная камера, устанавливаемая за газогенератором, в которой к газу подводится дополнительное тепло. На дозвуковых скоростях полета обычно оказывается достаточной тяга ТРД при приемлемой экономичности силовой установки.
Включение форсажа на этих скоростях увеличивает тягу, однако существенно ухудшает экономичность двигателя, поэтому форсаж используется кратковременно. При достаточно высоких сверхзвуковых скоростях полета включение форсажа становится выгодным и в длительном полете, так как тяга при этом увеличивается в несколько раз, а расход топлива возрастает умеренно. Вследствие этого ТРД применяются на военных и гражданских дозвуковых, а ТРДФ на военных сверхзвуковых самолетах. Кроме того, применение ТРДФ целесообразно и на сверхзвуковых пассажирских самолетах. В двух конту.
р и ы х тур боре а кти в н ых дв ига тел я х тяга образуется в двух, как правило, соосных контурах (трактах)— газоном и воздушном, причем возможно истечение потоков через раздельные реактивные сопла или смешение потоков воздуха и газа и истечение смеси через общее реактивное сопло. Внутренний контур (первый, или газовый) является газогенератором, работающим, как ТРД, в котором часть потенциальной энергии газа расходуется на создание тяги, а другая часть передается во внешний контур.
Внешний контур (второй, или воздушный) является генератором сжатого воздуха и состоит из входного устройства, компрессора внешнего контура (вентилятора) с последующим кольцевым каналом и реактивного сопла. Энергия сжатого воздуха трансформируется в тягу внешнего контура. На сжатие воздуха компрессором внешнего контура затрачивается мощность турбины, расположенной во внутреннем контуре. Тяга двигателя с раздельными реактивными соплами складывается из суммы тяг внутреннего и внешнего контуров, причем в зависимости от параметров двигателя и режима его работы соотношение тяг изменяется в очень широких пределах.
В ДТРД с общим реактивным соплом турбокомпрессорная часть двигателя работает аналогично турбокомпрессорной части ДТРД с раздельными реактивными соплами, однако газовый поток внутреннего контура после расширения в турбине смешивается в камере смешения с воздушным потоком внешнего контура. При расширении в реактивном сопле газовоздушная смесь приобретает высокую скорость, создавая тягу двигателя. В результате происходящего выравнивания поля температур по сечению перед реактивным соплом может произойти некоторое увеличение тяги и улучшение экономичности такого двигателя по сравнению с двигателем, имеющим раздельные реактивные сопла. Относительно невысокая скорость истечения газа из ДТРД создает хорошую экономичность этих двигателей на дозвуковых скоростях полета вследствие относительно невысоких потерь с кинетической энергией газовой струи.
Следует отметить, что по этой же причине уровень шума газовой струи ДТРД ниже, чем у ТРД, так как уровень шума реактивной струи в значительной степени зависит от ее скорости. Для существенного увеличения тяги двухконтурного двигателя применяется форсажная камера (рис. 3), устанавливаемая за смесителем и работающая аналогично форсажной камере ТРДФ. Рассматривается также схема двигателя с форсажем во внешнем контуре (ДТРДФ11). Рнс. 3.
Прннципиадьная схема ДТРДФ с форсаукной камерой по- сле смешения; 1 — веетнлятар; 1 — камврессор высокого давления, 3 — камера сгораняя; 6 — турбнна компрессоре; 6 — турбянв вентилятора; 6 — смескгелв; 7 — грорсажная камера; 8 — регуляруемае реактяввое сеяла; у — канал внешнего контура; 70 — входкае устройство ДТРДФ обладают по сравнению с ТРДФ большей экономичностью на дозвуковых скоростях полета и могут обеспечить почти одинаковый с ТРДФ расход топлива при высоком уровне тяги на сверхзвуковых скоростях полета. Следует, однако, отметить, что форсирование авиационных ГТД сжиганием топлива за турбиной при любых скоростях полета менее эффективно с точки зрения экономичности двигателя, чем увеличение с этой же целью температуры газа перед турбиной.
Этим, в частности, объясняется непрерывное стремление к повышению по мере развития авиационной техники температуры газа перед турбиной не только в нефорсированных, но и в форсированных двигателях. Рис. 4. Принципиальная схема ТВД: 1 — вовдушиый винт; у — входное устройство; а — редуктор; Š— комяре«серг 6 — камера сгораияя, 6 — турбняа: 7 — выходное устройство В т урбо в инто в ых дв ига тел я х (рис. 4) основная доля избыточной потенциальной энергии газа в турбине преобразуется в мощность, передаваемую на воздушный винт самолета, 9 а затем в тягу винта, некоторая доля потенциальной энергии в кинетическую энергию реактивной струи, т.
е. в реактивную тягу. Таким образом, тяга ТВД складывается из двух составляющих. Воздушный поток, проходящий через винт, разгоняется до невысокой скорости, в связи с чем потери с кинетической энергией воздушной струи еше меньше, чем в ДТРД, что предопределяет высокую экономичность ТВД на малых дозвуковых скоростях полета. С увеличением скорости полета экономичность турбовинтового двигателя снижается, в частности, из-за уменьшения КПД воздушного винта. Для согласования оптимальных частот вращения ротора турбокомпрессора и вала винта применяется редуктор с передаточным отношением от 5: 1 до 15: 1, существенно утяжеляющий конструкцию и усложняющий эксплуатацию силовой установки.
По этим причинам ТВД практически оказались вытесненными на дозвуковых транспортных и пассажирских самолетах двухконтурными двигателями и применяются лишь на некоторых типах транспортных самолетов с малой скоростью полета. Разновидностью ГТД являются также вертолетные турбовальные двигатели, рабочий процесс которых аналогичен рабочему процессу ТВД, однако преобразование избыточной потенциальной энергии газа в мощность осуществляется с помощью отделенной от газогенератора свободной турбины, а передача мощности на несущий винт вертолета происходит при существенно отличающихся частотах вращения вала свободной турбины и вала винта, для чего используется отдельный агрегат, не включаемый в конструкцию двигателя, — главный редуктор вертолета с передаточным отношением от 20: 1 до 50: 1. Основные параметры.
Лвиационные газотурбинные двигатели характеризуются следующими основными параметрами: тягой (мощностью), расходом воздуха, удельной тягой (удельной мощностью), удельным расходом топлива, удельной массой, а также ресурсом и габаритными размерами. Такие параметры двигателя, как тяга, масса, ресурс, габаритные размеры и др., позволяют судить о его индивидуальных данных. Для сравнительной оценки совершенства двигателя по отношению к другим двигателям применяются относительные величины (удельная тяга, удельный расход топлива, удельная масса и др.).
Тягой да и г а тел я 1г, т. е. силой реакции газовой или газовой и воздушной струй, истекающих из реактивных сопел двигателя, называется усилие, создаваемое ТРД (ТРДФ) и ДТРД (ДТРДФ), воспринимаемое на узлах крепления двигателя к летательному аппарату и действующее в определенном направлении. Р а с хо до м во з д у х а 6, называется масса воздуха, проходящего через двигатель в единицу времени. Расходом воздуха определяются мощность и габаритные размеры (прежде всего диаметр) двигателя.
Для современных авиационных ГТД расход воздуха составляет от 2 до нескольких сот килограммов в секунду на взлетном режиме работы, 1О Удельной тягой Йтх ТРД (ТРДФ) и ДТРД (ДТРДФ) называется тяга, отнесенная к секундному расходу воздуха через двигатель. Удельная тяга определяется разницей между скоростью истечения потока из реактивного сопла и скоростью полета для ТРД (ТРДФ) и соотношением скоростей истечения из реактивных сопел (при раздельном истечении), скорости полета и расходов воздуха внешнего и внутреннего контуров для ДТРД (ДТРДФ). Удельной тягой двигателя определяются его диамезральные размеры: увеличение Р„„уменьшает расход воздуха через двигатель (при неизменной тяге), а следовательно, его габариты и массу.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
